Wat zijn zenerdiodes?

Wat is een zenerdiode?

Een zenerdiode is een speciaal type gelijkrichtdiode die doorslag als gevolg van omgekeerde doorslagspanning aankan zonder volledig te falen. Hier bespreken we het concept van het gebruik van diodes om de spanningsval te regelen en hoe de zenerdiode in omgekeerde voorspanningsmodus werkt om de spanning in een circuit te regelen.

Hoe diodes spanningsval reguleren

Als we een diode en weerstand in serie schakelen met een DC-spanningsbron zodat de diode voorwaarts is voorgespannen, zal de spanningsval over de diode redelijk constant blijven over een breed bereik van voedingsspanningen, zoals in figuur (a) hieronder.

De stroom door een voorwaarts voorgespannen PN-overgang is evenredig met e verhoogd tot de macht van de voorwaartse spanningsval. Omdat dit een exponentiële functie is, stijgt de stroom vrij snel voor een bescheiden toename van de spanningsval.

Een andere manier om dit te overwegen is om te zeggen dat de spanning die over een voorwaarts voorgespannen diode valt, weinig verandert voor grote variaties in de diodestroom. In het circuit dat wordt getoond in figuur (a) hieronder, wordt de diodestroom beperkt door de spanning van de voeding, de serieweerstand en de spanningsval van de diode, die zoals we weten niet veel verschilt van 0,7 volt.

Voorwaarts voorgespannen Si-referentie:(a) enkele diode, 0,7 V, (b) 10-diodes in serie 7,0 V.

Als de voedingsspanning zou worden verhoogd, zou de spanningsval van de weerstand bijna evenveel toenemen en zou de spanning van de diode slechts een klein beetje dalen. Omgekeerd zou een afname van de voedingsspanning resulteren in een bijna gelijke afname van de weerstandsspanningsval, met slechts een kleine afname van de diodespanningsval.

In één woord, we zouden dit gedrag kunnen samenvatten door te zeggen dat de diode regulerend is de spanningsval bij ongeveer 0,7 volt.

Het gebruik van spanningsregeling

Spanningsregeling is een nuttige diode-eigenschap om te exploiteren. Stel dat we een soort circuit aan het bouwen waren dat geen variaties in de voedingsspanning kon verdragen, maar gevoed moest worden door een chemische batterij, waarvan de spanning tijdens de levensduur verandert. We zouden een circuit kunnen vormen zoals hierboven weergegeven en het circuit kunnen aansluiten dat een constante spanning over de diode nodig heeft, waar het een onveranderlijke 0,7 volt zou ontvangen.

Dit zou zeker werken, maar de meeste praktische circuits van welke aard dan ook vereisen een voedingsspanning van meer dan 0,7 volt om goed te kunnen functioneren. Een manier waarop we ons spanningsregelpunt zouden kunnen verhogen, zou zijn om meerdere diodes in serie te schakelen, zodat hun individuele voorwaartse spanningsdalingen van 0,7 volt elk zouden optellen om een ​​groter totaal te creëren.

Bijvoorbeeld, in ons voorbeeld hierboven [figuur (b)], als we tien diodes in serie hadden, zou de gereguleerde spanning tien keer 0,7 of 7 volt zijn.

Zolang de batterijspanning nooit onder de 7 volt zakte, zou er altijd ongeveer 7 volt over de tien-diode "stack" vallen.

Hoe zenerdiodes de spanning regelen

Als er grotere gereguleerde spanningen nodig zijn, kunnen we ofwel meer diodes in serie gebruiken (naar mijn mening een onelegante optie) of een fundamenteel andere benadering proberen.

We weten dat de doorlaatspanning van een diode redelijk constant is onder een groot aantal omstandigheden, maar dat geldt ook voor omgekeerde doorslagspanning. Doorslagspanning is doorgaans veel, veel groter dan voorwaartse spanning.

Als we de polariteit van de diode in ons enkeldiode-regelcircuit zouden omkeren en de voedingsspanning zouden verhogen tot het punt waarop de diode "uitviel" (dat wil zeggen, hij zou niet langer bestand zijn tegen de omgekeerde voorspanning die erover werd gedrukt), de diode zou op dezelfde manier de spanning op dat doorslagpunt regelen, waardoor deze niet verder kan toenemen. Dit wordt weergegeven in figuur (a) hieronder.

(a) Omgekeerde voorgespannen Si-kleinsignaaldiode breekt af bij ongeveer 100V. (b) Symbool voor zenerdiode.

Helaas, wanneer normale gelijkrichtdiodes "uitvallen", doen ze dit meestal destructief. Het is echter mogelijk om een ​​speciaal type diode te bouwen die defecten aankan zonder volledig te falen. Dit type diode wordt een Zenerdiode genoemd , en het symbool wordt getoond in de afbeelding (b) hierboven .

Wanneer ze voorwaarts zijn voorgespannen, gedragen zenerdiodes zich vrijwel hetzelfde als standaard gelijkrichtdiodes:ze hebben een voorwaartse spanningsval die de "diodevergelijking" volgt en is ongeveer 0,7 volt. In omgekeerde voorspanningsmodus geleiden ze niet totdat de aangelegde spanning de zogenaamde Zenerspanning bereikt of overschrijdt , op welk punt de diode in staat is om aanzienlijke stroom te geleiden, en daarbij zal proberen de spanning die erover valt te beperken tot dat Zener-spanningspunt.

Zolang het door deze tegenstroom gedissipeerde vermogen de thermische limieten van de diode niet overschrijdt, wordt de diode niet beschadigd. Om deze reden worden zenerdiodes soms "doorslagdiodes" genoemd.

Zenerdiodecircuit

Zenerdiodes worden vervaardigd met Zener-spanningen variërend van enkele volt tot honderden volt. Deze Zener-spanning verandert enigszins met de temperatuur en kan, net als gewone weerstandswaarden voor koolstofsamenstelling, ergens tussen de 5 en 10 procent afwijken van de specificaties van de fabrikant. Deze stabiliteit en nauwkeurigheid is echter over het algemeen goed genoeg om de zenerdiode te gebruiken als een spanningsregelaar in een gemeenschappelijk voedingscircuit in de onderstaande afbeelding.

Zenerdioderegelaarcircuit, Zenerspanning =12.6V).

Werking van de zenerdiode Let op de oriëntatie van de zenerdiode in het bovenstaande circuit:de diode is omgekeerd voorgespannen , en met opzet. Als we de diode op de "normale" manier hadden georiënteerd, zodat hij voorwaarts was voorgespannen, zou hij slechts 0,7 volt dalen, net als een gewone gelijkrichtdiode. Als we de omgekeerde doorslageigenschappen van deze diode willen benutten, moeten we deze in zijn omgekeerde voorspanningsmodus gebruiken. Zolang de voedingsspanning boven de zenerspanning blijft (12,6 volt, in dit voorbeeld), blijft de spanning die over de zenerdiode valt ongeveer 12,6 volt.

Zoals elk halfgeleiderapparaat is de zenerdiode temperatuurgevoelig. Een te hoge temperatuur vernietigt een zenerdiode, en omdat deze zowel de spanning laat vallen als de stroom geleidt, produceert deze zijn eigen warmte in overeenstemming met de wet van Joule (P=IE). Daarom moet men voorzichtig zijn om het regelcircuit zo te ontwerpen dat de vermogensdissipatie van de diode niet wordt overschreden. Interessant genoeg, wanneer Zener-diodes falen vanwege overmatige vermogensdissipatie, falen ze meestal kortgesloten in plaats van te openen. Een diode die op deze manier faalt, wordt gemakkelijk gedetecteerd:hij daalt bijna nul spanning wanneer hij op een of andere manier wordt voorgespannen, zoals een stuk draad.

Wiskundige analyse van het regelcircuit van de zenerdiode

Laten we een wiskundig regelcircuit van een Zenerdiode onderzoeken, waarbij we alle spanningen, stromen en vermogensdissipaties bepalen. Met dezelfde circuitvorm als eerder getoond, zullen we berekeningen uitvoeren uitgaande van een Zener-spanning van 12,6 volt, een voedingsspanning van 45 volt en een serieweerstandswaarde van 1000 Ω (we beschouwen de Zener-spanning als precies 12,6 volt om te voorkomen dat alle cijfers als "bij benadering" moeten worden aangemerkt in onderstaande afbeelding (a)

Als de spanning van de zenerdiode 12,6 volt is en de spanning van de voeding 45 volt, zal er 32,4 volt over de weerstand vallen (45 volt - 12,6 volt =32,4 volt). 32,4 volt gedaald over 1000 Ω geeft 32,4 mA stroom in het circuit. (Figuur hieronder (b))

(a) Zener-spanningsregelaar met weerstand van 1000 . (b) Berekening van spanningsdalingen en stroom.

Vermogen wordt berekend door stroom te vermenigvuldigen met spanning (P=IE), zodat we de vermogensdissipaties voor zowel de weerstand als de zenerdiode vrij eenvoudig kunnen berekenen:

Een zenerdiode met een vermogen van 0,5 watt zou voldoende zijn, evenals een weerstand met een dissipatie van 1,5 of 2 watt.

Zenerdiodecircuit met hogere weerstanden

Als buitensporige vermogensdissipatie schadelijk is, waarom zou u het circuit dan niet ontwerpen voor zo min mogelijk dissipatie? Waarom niet gewoon de weerstand op maat maken voor een zeer hoge weerstandswaarde, waardoor de stroom ernstig wordt beperkt en de vermogensdissipatie zeer laag blijft? Neem deze schakeling bijvoorbeeld met een weerstand van 100 k in plaats van een weerstand van 1 kΩ. Merk op dat zowel de voedingsspanning als de zenerspanning van de diode in de onderstaande afbeelding identiek zijn aan het laatste voorbeeld:

Zenerregelaar met 100 kΩ-weerstand.

Met slechts 1/100 van de stroom die we voorheen hadden (324 µA in plaats van 32,4 mA), zouden beide vermogensdissipaties 100 keer kleiner moeten zijn:

Overwegingen met belastingsweerstand

Lijkt me ideaal, niet? Minder vermogensdissipatie betekent lagere bedrijfstemperaturen voor zowel de diode als de weerstand, en ook minder verspilde energie in het systeem, toch? Een hogere weerstandswaarde doet wel verminderen de vermogensdissipatieniveaus in het circuit, maar het introduceert helaas een ander probleem. Onthoud dat het doel van een regelcircuit is om een ​​stabiele spanning te leveren voor een ander circuit . Met andere woorden, we gaan uiteindelijk iets van stroom voorzien met 12,6 volt, en dit iets zal zijn eigen stroomverbruik hebben.

Overweging met lagere waarde voor vallende weerstand

Beschouw ons eerste regelcircuit, dit keer met een belasting van 500 Ω die parallel is geschakeld met de zenerdiode in de onderstaande afbeelding.

Zenerregelaar met 1000 Ω serieweerstand en 500 Ω belasting.

Als 12,6 volt wordt gehandhaafd over een belasting van 500 , zal de belasting 25,2 mA stroom trekken. Om ervoor te zorgen dat de "dropping" -weerstand van de 1 kΩ-serie 32,4 volt daalt (waardoor de spanning van de voeding van 45 volt wordt teruggebracht tot 12,6 over de Zener), moet deze nog steeds 32,4 mA stroom geleiden. Dit laat 7,2 mA stroom door de zenerdiode.

Overweging met een hogere waarde voor het laten vallen van de weerstand

Overweeg nu ons "energiebesparende" regelcircuit met de 100 kΩ-valweerstand, die stroom levert aan dezelfde 500 Ω-belasting. Wat het zou moeten doen, is 12,6 volt over de belasting handhaven, net als het laatste circuit. Zoals we zullen zien, kan het echter niet deze taak volbrengen. (Figuur hieronder)

Zener non-regulator met 100 KΩ serieweerstand met 500 Ω belasting.>

Met de grotere waarde van de valweerstand op zijn plaats, zal er slechts ongeveer 224 mV spanning over de 500 Ω belasting zijn, veel minder dan de verwachte waarde van 12,6 volt! Waarom is dit? Als we daadwerkelijk 12,6 volt over de belasting zouden hebben, zou deze 25,2 mA stroom trekken, zoals voorheen. Deze belastingsstroom zou door de serie-valweerstand moeten gaan zoals voorheen, maar met een nieuwe (veel grotere!) valweerstand op zijn plaats, zou de spanning over die weerstand vallen met 25,2 mA stroom die er doorheen gaat, zou het 2520 volt zijn! Aangezien we natuurlijk niet zoveel spanning van de batterij hebben, kan dit niet gebeuren.

Analyse met hogere druppelweerstand zonder zenerdiode

De situatie is gemakkelijker te begrijpen als we de zenerdiode tijdelijk uit het circuit verwijderen en het gedrag van de twee weerstanden alleen analyseren in de onderstaande afbeelding.

Niet-regulator met Zener verwijderd.

Zowel de 100 kΩ-uitvalweerstand als de 500 Ω-belastingsweerstand staan ​​in serie met elkaar, wat een totale circuitweerstand van 100,5 kΩ oplevert. Met een totale spanning van 45 volt en een totale weerstand van 100,5 kΩ vertelt de wet van Ohm (I=E/R) ons dat de stroom 447,76 µA zal zijn. Als we spanningsdalingen over beide weerstanden (E =IR) berekenen, komen we uit op respectievelijk 44,776 volt en 224 mV.

Als we op dit punt de zenerdiode opnieuw zouden installeren, zou deze er ook 224 mV over "zien", parallel aan de belastingsweerstand. Dit is ver onder de Zener-doorslagspanning van de diode en zal dus niet "afbreken" en stroom geleiden. Trouwens, bij deze lage spanning zou de diode niet geleiden, zelfs niet als deze voorwaarts was voorgespannen! De diode houdt dus op met het regelen van de spanning. Er moet minimaal 12,6 volt over zijn om het te "activeren".

De analytische techniek om een ​​zenerdiode uit een circuit te verwijderen en te kijken of er voldoende spanning aanwezig is om deze te laten geleiden, is een goede. Het feit dat een Zener-diode toevallig in een circuit is aangesloten, garandeert niet dat de volledige Zener-spanning er altijd overheen zal vallen! Onthoud dat Zenerdiodes werken door beperkende spanning tot een maximaal niveau; ze kunnen niet goedmaken voor een gebrek aan spanning.

Regel in werking van zenerdioderegulering

Samenvattend zal elk Zenerdiode-regelcircuit functioneren zolang de weerstand van de belasting gelijk is aan of groter is dan een minimumwaarde. Als de belastingsweerstand te laag is, zal deze te veel stroom trekken, waardoor te veel spanning over de serievalweerstand daalt, waardoor er onvoldoende spanning over de zenerdiode overblijft om deze te laten geleiden. Wanneer de zenerdiode geen stroom meer geleidt, kan deze de spanning niet meer regelen en zal de belastingsspanning onder het regelpunt vallen.

Belastingweerstand berekenen voor bepaalde valweerstanden

Ons regelcircuit met de 100 kΩ-valweerstand moet echter goed zijn voor een bepaalde waarde van belastingsweerstand. Om deze acceptabele belastingsweerstandswaarde te vinden, kunnen we een tabel gebruiken om de weerstand in het serieschakeling met twee weerstanden (geen diode) te berekenen, de bekende waarden van de totale spanning en de dalende weerstandsweerstand in te voegen en te berekenen voor een verwachte belastingsspanning van 12,6 volt :

Met 45 volt totale spanning en 12,6 volt over de belasting, zouden we 32,4 volt moeten hebben over R_daling :

Met 32,4 volt over de valweerstand en 100 kΩ weerstand erin, zal de stroom erdoorheen 324 µA zijn:

Omdat het een serieschakeling is, is de stroom op elk moment gelijk door alle componenten:

Het berekenen van de belastingsweerstand is nu een kwestie van de wet van Ohm (R =E/I), wat ons 38,889 kΩ geeft:

Dus als de belastingsweerstand precies 38,889 kΩ is, staat er 12,6 volt over, diode of geen diode. Elke belastingsweerstand kleiner dan 38,889 kΩ resulteert in een belastingsspanning van minder dan 12,6 volt, diode of geen diode. Met de diode op zijn plaats, wordt de belastingsspanning geregeld tot maximaal 12,6 volt voor elke belastingsweerstand groter dan 38,889 kΩ.

Met de oorspronkelijke waarde van 1 kΩ voor de valweerstand, was ons regelcircuit in staat om de spanning adequaat te regelen, zelfs voor een belastingsweerstand zo laag als 500 Ω. Wat we zien is een afweging tussen vermogensdissipatie en acceptabele belastingsweerstand. De valweerstand met een hogere waarde gaf ons minder vermogensdissipatie, ten koste van het verhogen van de acceptabele minimale belastingsweerstandswaarde. Als we de spanning voor laagwaardige belastingsweerstanden willen regelen, moet het circuit voorbereid zijn op een hogere vermogensdissipatie.

Hoe zenerdiode spanningsregeling doet

Zenerdiodes regelen de spanning door als complementaire belastingen te werken, waarbij ze meer of minder stroom trekken als dat nodig is om een ​​constante spanningsval over de belasting te garanderen. Dit is analoog aan het regelen van de snelheid van een auto door te remmen in plaats van door de gasklepstand te variëren:het is niet alleen een verspilling, maar de remmen moeten ook zo zijn gebouwd dat ze al het motorvermogen kunnen verwerken wanneer de rijomstandigheden dit niet vereisen.

Ondanks deze fundamentele inefficiëntie van het ontwerp, worden zenerdiode-regulatorcircuits veel gebruikt vanwege hun pure eenvoud. In toepassingen met hoog vermogen waar de inefficiënties onaanvaardbaar zouden zijn, worden andere spanningsregelende technieken toegepast. Maar zelfs dan worden kleine Zener-gebaseerde circuits vaak gebruikt om een ​​"referentie"-spanning te leveren om een ​​efficiënter versterkercircuit aan te sturen dat de hoofdstroom regelt.

Gemeenschappelijke zenerdiodespanningen

Zenerdiodes worden vervaardigd in de standaard spanningswaarden die in de onderstaande tabel worden vermeld. De tabel "Gemeenschappelijke Zenerdiode-spanningen" vermeldt de gebruikelijke spanningen voor onderdelen van 0,3 W en 1,3 W. Het wattage komt overeen met die en de verpakkingsgrootte en is het vermogen dat de diode kan dissiperen zonder schade.

Gemeenschappelijke Zenerdiode-spanningen

0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V2233V24V27V3068

Zenerdiode-clipper: Een clippingcircuit dat de pieken van de golfvorm afsnijdt bij ongeveer de zenerspanning van de diodes. Het circuit van het onderstaande figuur heeft twee Zeners-aangesloten series die tegenovergesteld zijn om symmetrisch een golfvorm bij bijna de Zener-spanning te knippen. De weerstand beperkt de stroom die door de Zeners wordt getrokken tot een veilige waarde.

*SPICE 03445.eps D1 4 0 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

Zenerdiode-clipper:

De Zener-doorslagspanning voor de diodes is ingesteld op 10 V door de diodemodelparameter "bv =10" in de kruidennetlijst in de bovenstaande afbeelding. Dit zorgt ervoor dat de Zeners clippen bij ongeveer 10 V. De back-to-back diodes knippen beide pieken. Voor een positieve halve cyclus is de bovenste Zener in tegengestelde richting en valt uit bij de Zener-spanning van 10 V. De onderste Zener daalt ongeveer 0,7 V omdat deze voorwaarts is voorgespannen. Een nauwkeuriger uitknipniveau is dus 10+0,7 =10,7 V. Soortgelijke negatieve clipping van een halve cyclus vindt plaats bij -10,7 V. (Afbeelding hieronder) toont het clippingniveau op iets meer dan ±10 V.

Zenerdiode-clipper:v(1)-invoer wordt afgekapt bij golfvorm v(2).

BEOORDELING:

• Zenerdiodes zijn ontworpen om te worden gebruikt in omgekeerde voorspanningsmodus, wat zorgt voor een relatief lage, stabiele storing, of Zener spanning waarbij ze een aanzienlijke tegenstroom beginnen te geleiden.
• Een zenerdiode kan functioneren als een spanningsregelaar door als extra belasting te fungeren, waardoor meer stroom van de bron wordt afgenomen als de spanning te hoog is, en minder als deze te laag is.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Zenerdiodes
• Ontwerpproject:werkblad DC-spanningsregelaar